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為解決玉米受斑點螟蟲侵害導致產量嚴重損失的問題，研究人員對不同玉米自交系及雜交種進行了整合轉錄組與代謝組學分析。結果揭示茉莉酸（JA）信號通路在誘導萜類和苯并噁嗪類化合物合成、驅動玉米耐受性的核心作用，為培育抗蟲玉米品種提供了關鍵分子標記與生化途徑依據。
玉米，作為全球重要的糧食與經濟作物，其產量常受到各種生物脅迫的威脅，其中斑點螟蟲（Chilo partellus）的危害尤為嚴重。這種螟蟲以隱蔽方式鑽蛀玉米稈部進行取食，使得傳統的化學防治手段效果有限，常造成巨大的產量損失。面對這一挑戰，利用植物自身的抗性機制——宿主植物抗性，成為一種可持續且環境友好的蟲害管理策略。然而，玉米抵抗斑點螟蟲的具體分子與生化機制，特別是關鍵防禦信號通路和代謝物的調控網絡，此前尚未被深入闡明。為填補這一知識空白，研究人員選取了一對對螟蟲反應截然不同的玉米自交系BML 6（感蟲）和BML 7（耐受），以及它們的雜交種DHM 117，展開了一項整合多組學的研究，旨在從表型、轉錄組和代謝組層面系統揭示玉米的防禦機制，其研究成果發表於《Current Plant Biology》。
為開展此項研究，研究人員運用了幾個關鍵技術方法。首先，通過溫室條件下的無選擇性生物測定，評估了三個基因型在螟蟲侵害後的植物生物量、幼蟲體重和存活數量等表型指標。其次，利用Illumina HiSeq 2000平台對蟲害處理與對照的葉片組織進行了RNA測序（RNA-seq），獲取全轉錄組數據，並結合定量實時聚合酶鏈鎖反應（qRT-PCR）對關鍵差異表達基因（DEGs）進行驗證。在代謝物層面，研究採用超高效液相色譜-四極桿飛行時間質譜聯用技術（UPLC-QTOF-MS）對葉片組織的可溶性代謝物進行了非靶向代謝組學分析。所有分析均設置了生物學重複，並使用相應的統計學方法（如ANOVA、PLS-DA）進行數據處理和差異分析。
研究結果主要包含以下幾個方面：
3.1. 植物-昆蟲相互作用
通過表型分析發現，BML 7顯著抑制了螟蟲幼蟲的體重增長（平均1.80 mg）和定殖數量（每株1.85頭），表現出明顯的抗生性（antibiosis）抗性。相比之下，感蟲品系BML 6支持了最高的幼蟲體重（2.83 mg）和數量（每株3.70頭）。雜交種DHM 117表現出最高的植物生物量（5.26 g），同時其幼蟲生長和定殖水平介於兩個親本之間，顯示了在雜種優勢下仍保留了部分防禦性狀的遺傳。1) five days post-infestation. (b) larval weight, (c) number of larvae recovered, and (d) Plant weight. Twenty plants per genotype were each infested with five neonates. Different letters above bars indicate significant differences (ANOVA, Tukey’s post hoc test, p < 0.05).">
3.2. 全局轉錄組變化及差異表達基因的功能解讀
轉錄組分析揭示了基因型特異的響應。BML 7在蟲害後產生了4586個差異表達基因，且下調基因數量多於BML 6，暗示其可能進行了更廣泛的代謝重編程以支援防禦。
3.3. 茉莉酸介導的直接和間接防禦響應
分析發現，茉莉酸（JA）信號通路在BML 7中被強烈激活。關鍵的JA合成基因，如脂氧合酶（LOX1/2/3/5）、丙二烯氧化物合酶2（AOS2）和12-氧代植物二烯酸還原酶2（OPR2）在BML 7中顯著上調，而在BML 6中變化微弱或下調。下游的防禦相關基因，如蛋白酶抑制劑（胱抑素Cystatin 2和6）和多個萜類合酶（TPS）基因（包括TPS4, TPS10和編碼(E)-β-石竹烯合酶的TPS23）也在BML 7中強烈誘導表達。這些萜類化合物被認為能吸引天敵，構成間接防禦。
3.4. 莽草酸通路及其交互作用
研究進一步發現，BML 7還激活了莽草酸通路，該通路是生成芳香族氨基酸（苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸）的關鍵。其中，色氨酸合成相關的基因，如鄰氨基苯甲酸合酶α亞基1（ASα1）和鄰氨基苯甲酸甲基轉移酶1（AAMT1）在BML 7中特異性上調，將代謝流導向色氨酸衍生的防禦化合物，包括苯并噁嗪類（Benzoxazinoids）和揮發性化合物甲基鄰氨基苯甲酸酯。相比之下，BML 6更依賴於苯丙氨酸驅動的苯丙烷類（Phenylpropanoid）通路。
3.5. 防禦激活期間的初級代謝重編程
在激活防禦的同時，BML 7中多個與光合作用、糖酵解、三羧酸循環（TCA cycle）和細胞壁合成相關的初級代謝基因被下調，這反映了防禦激活可能伴隨著生長代謝的成本權衡，即資源從生長被重新分配至防禦。
3.6. 富集分析支持向防禦的代謝重編程
基因本體（GO）富集分析顯示，BML 7中顯著富集的通路包括“次級代謝物的生物合成”和“代謝通路”，進一步證實了其代謝流從初級代謝向次級防禦代謝的轉變。
3.7. 轉錄組數據的定量實時PCR驗證
qRT-PCR驗證了RNA-seq的結果，關鍵防禦基因（如LOX2, TPS10, ASα1等）在BML 7和DHM 117中於蟲害後表達上調，而在BML 6中表達較弱或無變化，兩組數據顯著相關，驗證了轉錄組數據的可靠性。
3.8.-3.12. 代謝組分析揭示芳香族氨基酸和酚類通路的重編程
代謝組分析鑑定出約40種代謝物。多元統計分析（如主成分分析PCA和偏最小二乘法判別分析PLS-DA）顯示，不同基因型及處理組的代謝物譜存在顯著差異。具體而言，BML 7在蟲害後積累了更多特定的酚酸-類黃酮共軛物（如peonidin-3-(6-O-p-coumaroylglucoside)-8-ethyl-(epi)catechin），而BML 6則顯示出較高水平的簡單酚類。這表明BML 7採用了更為“智能”的策略，通過共軛作用穩定和運輸多種防禦化合物。此外，BML 7中酪氨酸和色氨酸水平的上調支持了其向苯并噁嗪類等專化防禦代謝物的分流，而BML 6則更依賴苯丙氨酸衍生的類黃酮和木質素前體來加固細胞壁。
歸納與討論
本研究通過整合表型、轉錄組和代謝組證據，系統闡明了玉米耐受品系BML 7抵抗斑點螟蟲的分子與生化機制。其核心結論在於，茉莉酸（JA）信號通路的強烈激活是驅動玉米抗蟲防禦的關鍵樞紐。該通路上調了脂氧合酶（LOX）、萜類合酶（TPS）和關鍵的色氨酸合成基因，從而協調地促進了具有直接抗蟲活性的萜類、苯并噁嗪類化合物以及吸引天敵的揮發性物質的合成。同時，耐受基因型表現出顯著的代謝重編程，將資源從初級生長代謝重新分配至次級防禦代謝，特別是通過積累複雜的酚酸-類黃酮共軛物來增強化學防禦和抗氧化能力。相比之下，感蟲品系BML 6主要激活了苯丙烷類通路，其防禦策略可能更側重於結構性加固。
這項研究的意義重大。首先，它首次應用整合多組學方法深入解析了玉米對C. partellus的防禦網絡，填補了該領域的知識空白。其次，研究明確了JA信號通路及其下游的代謝物（如特定的萜類、苯并噁嗪類和酚類共軛物）可作為培育抗蟲玉米品種的潛在分子標記和生化標誌物。最後，雜交種DHM 117展示了將高產量雜種優勢與部分抗蟲性相結合的可能性，為育種實踐提供了寶貴的親本材料和理論指導，即通過聚合JA介導的防禦性狀，有望培育出既高產又對環境脅迫具有韌性的玉米新品種，從而減少對化學農藥的依賴，推動農業的可持續發展。未來的研究可進一步利用基因編輯等技術驗證這些關鍵通路和基因的功能，並在更廣泛的遺傳背景下評估其應用價值。
